1、摘 要本文详细介绍了极坐标液控机械手机械系统的设计及计算过程 。首先，本文介绍工业机械手的发展简史及其在生产中的作用、机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体坐标的形式。介绍了机械手的未来发展趋势。然后，介绍了机械手的总体情况，包括组成及驱动方式，之后，给出了本设计的技术要求。接着，进行各个部件的分析设计。从手部到臂部，先选择形状，再进行受力分析，进而为其选择合适的液压驱动形式。根据受力分析计算出所需的驱动力和液压缸的基本参数，并进行强度校核。在此基础上，完成机械手的总装并能实现要求的各个动作。最后，完善各个组成部分的液压系统。对整个液压原理图中的各个组件进行分析计算，从而选择合适的规格，
2、对实现机械手的运动控制的PLC进行设计。关键词：机械手；极坐标；液压驱动；PLC控制AbstractThis article mainly describes the polar fluid control system design and mechanical manipulator calculation。First, this paper introduces the development history of industrial robots in production，and the role of the manipulator，the composition and cla
3、ssification of freedom and the overall coordinate robot。Then，introduces the development trend of future robots。Then，introduces the general situation of the manipulator，including the composition and driving way，after the design，technical requirements。Then，the analysis of the components。 From hand to
4、arms，the first choice shape，then analyzes of forces，and then choose the appropriate for the hydraulic form。According to the stress analysis of driving, calculate for the driving force and basic parameters of hydraulic cylinder, then,check intensity. On the basis of the manipulator, realize the requi
5、rements of assembly every action.Finally，the perfect each part of the hydraulic system。For the hydraulic principle diagram of each component analysis and calculation，choose the appropriate specifications。The PLC which is to realize the manipulator moving control will be designed。Keywords：manipulator
6、；polar；hydraulic drive；PLC control目 录第一章 绪论 11.1 前言.11.2 工业机械手的简史 11.3 工业机械手在生产中的应用.31.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 31.3.2 在实现单机自动化方面 31.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 41.4 机械手的组成 41.4.1 执行机构 41.4.2 驱动机构 51.4.3 控制系统分类 51.5 工业机械手的发展趋势.51.6 本章小结 6第二章 机械手的总体设计方案 72.1 机械手基本形式的选择 72.2 机械手的主要部件及运动.72.3 驱动机构的选择.72.4 机械手材料.
7、72.4.1 机械材料选用原则.72.4.2 零件材料.82.5 机械手的技术参数列表 92.6 本章小结 .10第三章 机械手手部的设计计算 .113.1 手部设计基本要求 .113.2 典型的手部结构 .113.3 机械手手爪的设计计算113.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置113.3.2 手爪的力学分析123.3.3 夹紧力及驱动力的计算133.3.4 强度校核143.3.5 密封装置163.3.6 手爪夹持范围计算163.3.7 机械手手抓夹持精度的分析计算173.3.8 弹簧的设计计算18第四章 臂部的设计及有关计算 .214.1 臂部设计的基本要求214.2 手臂的典型机构以及结构
8、的选择224.2.1 手臂的典型运动机构224.2.2 手臂运动机构的选择224.2.3 手臂直线运动的驱动力计算224.2.4 手臂摩擦力的分析与计算224.2.5 手臂惯性力的计算244.2.6 密封装置的摩擦阻力244.2.7 液压缸工作压力和结构的确定244.2.8 手臂摆动的实现264.2.9 手臂回转的实现304.2.10 立柱的设计与计算 33第五章 机械手的液压系统 .345.1 动作要求345.2 系统元件组成345.3 工作原理355.4 选择液压元件375.4.1 液压泵375.4.2 电动机的选择385.4.3 阀类元件及辅助元件的选择385.4.4 油管395.5PL
9、C 的选择与控制.395.5.1 绘制梯形图405.5.3 绘制 I/O 端子连线图41总 结 .42谢 辞 .43参考文献 .44本科生毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 前言用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一
10、门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受
11、到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 工业机械手的简史现代工业机械
12、手起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）2结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962 年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼
13、公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vic-arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1 毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年机械手
14、试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间） ，由 400 小时提高到 1500 小时，精度可提高到0.1 毫米。德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士 RETAB 公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979 年
15、从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达 50 多个。1976 年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979 年日本机械手的产值达 443 亿日元，产量为 14535 台。其中固定程序和可变程序约占一半，达 222 亿日元，是 1978 年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67亿日元，比 1978 年增长 50%。智能机械手约为 17 亿日元，为 1978 年的 6 倍。截止1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990 年将有 55 万机器人
16、在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）3电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国
17、和其他国家学术交流活动开展很多。1.3 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切
18、性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类） ，大连电机厂的 4 号和 5 号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有
19、采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.3.2 在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的 Y38 滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注
20、塑机有加大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）4料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂 200t 环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的 120t 和 40t 多工位冲床机械手等。1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的 3t、5t、10t 模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油
21、机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。1.4 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成组成。1.4.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单） 。手部多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，
22、适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具） ，并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变
23、手部的姿态（方位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）5手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.4.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同 , 工业机械手的驱动
24、机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 ,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.4.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.5 工业机械手的发展趋势(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统
25、三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人
26、操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）6系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机
27、器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客
28、户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器
29、人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.6 本章小结本章简要的介绍了机械手的基本概念。在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）7第二章 机械手的总体设计方案2.1 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4 种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; (
30、 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。本设计选择极坐标机械手。2.2 机械手的主要部件及运动在极坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有4个自由度即：手抓张合；手臂伸缩；手臂回转；手臂摆动4个主要动作。本设计机械手主要由两个大部件和4个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。 （2）臂部，采用两个直线缸来实现手臂伸缩和摆动。采用回转缸来实现手臂的回转。2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同 , 工业机械手
31、的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手 ,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。2.4 机械手材料2.4.1 机械材料选用原则机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用材料有黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复合材料等。选择材料主要应考虑三个方面的问题。1）使用要求使用要求一般包括:零件的受载情况和工作状况;对零件尺寸和质量的限制;零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制时，应选用强度较高的材
32、料。静应力下工作的零件，应力分布均匀的(拉伸、压缩、剪切)，应选用组织均匀，大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）8屈服极限较高的材料;应力分布不均匀的(弯曲、扭转)宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力下工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以进行表面强化处理的材料，如调质钢、峰碳钢、氮化钢。若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模童相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同、改变零件的形状与结构可使刚度有较大的提高。滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料:在高温下工作的零件
33、应选用耐热材料;在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。2)工艺要求材料的工艺要求有三个方面内容(1)毛坯制造大型零件且大批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用铸造毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要应考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。(2)机械加工大批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能、切
34、削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等，应选用切削性能好的(如易断削、加工表面光洁、刀具磨损小等)材料。(3)热处理是提高材料性能的有效措施，主要应考虑材料的可淬性、淬透性及热处理后的变形开裂倾向和脆性等，应选用与热处理工艺相适应的材料。3)经济性要求(1)经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应选择价格高的材料。这对于大批制造的零件尤为重要。(2)当零件的质量不大而加工量很大，加工费用在零件总成本中要占很大的比例，这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是其加工性能和加工费用。(3)要充分考虑材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用
35、率。此外，在结构设计时也应设法提高材料利用率。(4)采用局部品质原则。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺，使各局部的要求分别得到满足。(5)尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。另外选择材料时应尽量考虑当时当地的材料供应情况，应尽可能的减少同一部机器上使用的材料品种和规格。大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）92.4.2 零件材料从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械手的零件材料。在机械手中各传动件是关键性零件，有各关节传动轴和齿轮系，它们的强度、刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。1)传动轴传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳
36、素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改善其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用 45 号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。因此，用金刚代替碳素钢并不能提高轴的刚度。鉴于此，机械手各传动关节的传动轴选用 45 号钢，应能满足设计的需要。2)齿轮系齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形。因此设计齿轮传动，要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根则要有
37、较高的抗折断能力。为此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿芯要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理和化学处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。锻钢可制成软齿面和硬齿面两种声轮。(1)软齿面齿轮对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可采用软齿面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于 350HBS，热处理方法为调制或正火，常用材料为 45 和 4C0r 等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度等级一般为 8 级。(2)硬齿面齿轮硬齿面齿轮硬度大于 350HBS。高速、重载及精密机械(如精密机床、航空发动机等)采用硬齿面齿轮传动。材料通常选用 20Cr、20CrMnTi
38、、40Cr、38CrMoAAI等，经过表面硬化处理，齿面可得到很高的硬度。加工方法一般为先切齿，然后表面硬化处理，最后进行磨齿等精加工，齿轮精度可达 5 级或 6 级，常用的表面硬化处理方法有表面淬火、渗碳淬火、氮化和氰化等。机械手的齿轮传动对速度、精度、强度要求都不高，可以使用软齿面齿轮，材料则选择 4OCr。除此之外，还有很多结构件，对它们的性能要求较低，所以尽量选择重量轻、价格低廉且符合设计要求的材料。如机械手的壳体全部采用铸造铝合金，分段铸造而成，末端执行器各零件则采用硬铝合金加工而成。2.5 机械手的技术参数列表设计技术参数:1、抓重:60Kg (夹持式手部)大连交通大学 2005
39、届本科生毕业设计（论文）102、自由度数:4个自由度3、坐标型式:极坐标4、手臂运动参数伸缩速度：10 sm回转、摆动速度：105、手爪运动参数加紧速度：5 s图 2-1 极坐标机械手的外形示意图机械手的工艺流程：机械手原位机械手上摆机械手前伸机械手抓取并夹紧机械手左转机械手下摆机械手松开机械手缩回机械手右转退至原位2.6 本章小结本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将依次进行。大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）11第三章 机械手手部的设计计算3.1 手部设计基本要求（1
40、） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度） ，以便于抓取工件。（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4） 应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构（1） 回转型 包括滑销杠杆式和连杆杠杆式两种。（2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。3.3 机械手手爪的设计计算3.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，
41、考虑到所要达到的原始参数：手爪张合角= ，夹取重量为60Kg。常用的工业机械手手部 ,按握持工件的原理 ,分为夹持和吸06附两大类。吸附式常用于爪取工件表面平整、面积较大的板状物体 ,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指 ,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动 ,这种手指结构简单 , 适于夹持平板方料 , 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置 , 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指 , 驱动力需加在手指移动方向上 ,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑销杠杆
42、这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手爪闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。材料选择可以选铸铝，刚性好、抗扭能力强、重量轻。指尖形状的选择：在夹紧轴、带有轴的工件或套筒等这类圆形截面柱状工件的外圆周表面时，若使大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）12用两只手部，其与工件的接触面常常做成凹V形。3.3.2 手爪的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑销杠杆 图 3-1（a）为常见的滑销杠杆式手部结构。 (a) (b)图 3-1 滑销杠杆式手部结构、受力分析1手指 2销轴 3杠杆在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴
43、中心 O 点，两手指 1 的滑销对销轴的反作用力为 F1和 F2， 其力的方向垂直于滑销的中心线 和 并指向 点，1o2o交 和 的延长线于 A 及 B。1F2由 =0 得 x12=0 得y 12cosF1由 =0 得01MFbhN1cosah大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）13F=2 （3.1）2cosNbFa式中 a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）工件被夹紧时手指的滑销方向与两回转支点的夹角bo1 点到受力 作用点的距离N由分析可知，当驱动力 一定时， 角增大，则握力 也随之增大，但 角过大FNF会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 = 。0343.3.3
44、夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式 2计算： （3.2）123NFKG式中 安全系数，通常 1.22.0；1K工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 其2k 21bKa中 a，重力方向的最大上升加速度； maxvt响运载时工件最大上升速度maxv系统达到最高速度的时间，一般选取 0.030.5st响方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。3KG被抓取工件所受重力（N） 。表 3-
45、1 液压缸的工作压力 1作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力 Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力 Mpa小于 5000 0.81 2000030000 2.04.0500010000 1.52.0 3000050000 4.05.01000020000 2.53.0 50000 以上 5.08.0计算：设 a=50mm,b=100mm, ;机械手达到最高响应时间为 0.5s，求夹紧力0104和驱动力 和 驱动液压缸的尺寸NF1.设 1.5K=1.121bKa30.5根据公式，将已知条件带入：大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）14=1.5 1.1 0.5 588=485
46、NF2.根据驱动力公式得：=1455N48530cos5122计 算3.取 0.851712N （3.3）8.4计 算实 际 F4.确定液压缸的直径 D（3.4）24Ddp实 际选取活塞杆直径 d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力 P=0.81 ,MPa0.060m262 5.08.1375.01pF实 际根据表 3-2（JB826-66） ，选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:d=630.5=31.5mm，选取 d=32mm23222 10.024.396.4103.6.4134 mdDA 流量 ssmVq 31 15. 输入功率 kwpP80365.缸筒长度 L 由最大工作行程
47、决定，从制造上考虑，一般油缸长度不大于其内径的2030 倍，即=12601890 （3.5）DL302表 3-2 液压缸的内径系列（JB826-66） 1 （mm）20 25 32 40 50 55 63 6570 75 80 85 90 95 100 105110 125 130 140 160 180 200 2503.3.4 强度校核对于液压缸的缸筒壁厚 、活塞杆直径 d 和缸盖处固定螺钉的直径，在高压系统中，必须经行强度校核。1.缸筒壁厚 在中、低压液压系统中，缸筒壁厚往往由结构工艺要求决定，一般不要校核，在高压系统中，必须进行强度校核。当 10 时为薄壁， 可按下式 1校核D大连交通
48、大学 2005 届本科生毕业设计（论文）15（3.6）2Dpy式中 D缸筒内径试验压力，当缸的额定压力 时，取 =1.5 ； 时，yp anMP16ypnpaMP16取 ；n25.1缸筒材料的许用应力， = ， 为材料抗拉强度，n 为安全系数，一bb般取 n=5。当 时为厚壁，按下式 1进行校核D0（3.7）13.402ypD由于此缸为低压，所以根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在 7mm，所以该液压缸的外径为 214mm。2.活塞杆直径 d 的校核（3.8）Fd4式 1中 F活塞杆上的作用力活塞杆材料的许用应力， ，活塞杆材料选择 QT500-7，.1b，所以，50bMP357md8.104.2满 足 要 求3.缸盖固定螺栓 的计算与校核sd（3.9）zkFd2.5式 1中 F液压缸负载；K螺栓拧紧系数，k=1.121.5；z固定螺栓个数；螺栓材料许用应力， = ， 为材料的屈服点。材料取5.2.1s sQT500-7,所以 =380 ， =190sMP取 8mzkF07.94.35.2.55d4.手部联接螺栓的计算与校核螺栓在工作时在联接的接合面处受剪切，并且螺栓与被联接件孔壁互相挤压，因此，联接的主要失效形式是螺杆被剪断及螺杆或孔壁被压溃。螺栓杆的剪切强度条件为大连交通大学 2005 届本科生毕业设计（论文）16（3.10）204dFs所以， ，由于承受变载荷，选择材料为
